Родился в 1966 году. В 1988 году окончил Ленинградский политехнический институт по специальности "Прикладная математика".
Трудовую деятельность начал в 1989 году инженером Центрального научно-исследовательского технологического института. Затем работал в коммерческих структурах в области автоматизированных систем управления.
В 2005 году Илларионов был назначен начальником Департамента корпоративной информатизации РЖД. С марта 2007 года – начальник Департамента информатизации и корпоративных процессов управления РЖД.
В 2009 году был включен[1] в резерв управленческих кадров, находящихся под патронажем Дмитрия Медведева, бывшего на тот момент президентом.
В октябре 2010 года Илларионов дал оценку[2] ИТ-инфраструктуры, за которую он отвечает: «В РЖД эксплуатируется один из самых крупных в стране информационных комплексов - 64 мэйнфрейма, более чем 300 корпоративных серверов, объем памяти хранилищ – более 2 ПБ, более 280 тыс. ПКУ». По его словам, в компании 12 тыс. сотрудников занимаются информатизацией компании и эксплуатируются более 4 тыс. информационных систем (ИС), которые имеют различный масштаб, в том числе «беспрецедентные по размеру и не имеющие аналогов в мире».
В ноябре 2012 году назначен вице-президентом РЖД.
"Алексей Викторович отвечает за два направления деятельности. Первое направление — развитие и совершенствование системы корпоративного управления компании «Российские железные дороги», оно подразумевает совершенствование бизнес-процессов компании, системы ключевых показателей деятельности, повышение эффективности системы управления в компании. Второе направление деятельности — развитие информационных технологий, реализация программы информатизации РЖД, разработка и внедрение автоматизированных систем", - рассказывал в 2014 году в интервью CNews начальник департамента информатизации РЖД Андрей Павловский[3].
ИТ-бюджет, которым управлял Илларионов, оценивался им самим в "0,6-0,7%, максимум 1% от всех капитальных затрат холдинга". В 2012 году он составлял 18 млрд рублей.
В ноябре 2015 года РЖД сообщила, что Алексей Илларионов был освобожден от своих обязанностей "в связи с истечением срока трудового договора". Вместе с ним от обязанностей был освобожден еще один вице-президент - Александр Целько - "в связи с переходом на другую работу". Их полномочия в правлении прекращены.
Кто будет отвечать за ИТ вместо Илларионова в РЖД на момент выпуска сообщения не уточнили. В то же время, в РЖД были назначены два новых вице-президента - Геннадий Верховых и Павел Иванов.
Увольнение Алексея Илларионова произошло спустя примерно 3 месяца после смены главы РЖД: Владимир Якунин уволился в августе 2015 года. Вместо него этот пост занял первый заместитель министра транспорта Олег Белозеров.